新加坡南洋理工大學(NTU)、中國清華大學和美國凱斯西儲大學的聯(lián)合團隊開發(fā)出一種像纖維一樣的柔性微型超級電容器，可織成衣服作為穿戴式醫(yī)療監(jiān)控、通訊設備或其他小型電子產(chǎn)品的電源，在研發(fā)新型儲能裝置方面邁出了一大步。該研究成果已在《自然納米技術》上發(fā)布。
這種新型設備是一種超級電容器，猶如電池家族中的“堂弟”。它囊括的石墨烯和碳納米管的互聯(lián)網(wǎng)絡十分緊致，其存儲的能量相比一些薄膜鋰電池更具優(yōu)勢。該裝置具有保持充電和釋放能量比電池快得多的優(yōu)點。這種纖維結構的雜化材料提供了巨大可接觸的表面區(qū)域，并高度導電。
研究人員相信，這一體積的存儲容量(稱為體積能量密度)是迄今基于碳的微型超級電容器的最高值：每立方毫米6.3微瓦特小時。
該纖維還可以十字交叉的方式織成服裝，作為在智能紡織品方面的可穿戴設備。例如，這樣的衣服可以為在家攜帶生物醫(yī)學監(jiān)控儀器的病人供電，可提供信息給在醫(yī)院的醫(yī)生?？椚胫品耠姵匕愕某夒娙萜骺蔀轱@示器或通信的晶體管提供電源。
研究人員說，這種纖維可能是一個節(jié)省空間的電源，作為醫(yī)療植入物的“能量運送導線”，可為在家的病人或老人供電給醫(yī)療檢測設備，或者在野外為士兵使用通信設備提供電源。
此外，研究人員還饒有興趣地測試了這些纖維的多功能應用，包括電池、太陽能電池、生物燃料電池及可靈活、穿戴式光電系統(tǒng)的傳感器。研究人員說：“我們已經(jīng)開辟了許多可能性，未來仍然有很多事情要做。”
魚與熊掌如何得兼?具體做法是設計混合纖維以提高體積能量密度，含有氧化過的酸性單層碳納米管、氧化石墨烯和亞乙基二胺，以促進合成和用氮給石墨烯涂層，通過柔性狹窄增強管即毛細管柱泵送，在烘箱中加熱6個小時。
石墨烯片中，只有幾個原子厚、并且排列成一條線的碳納米管自組裝成運行纖維長度的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡。如此安排提供了大量可接觸的表面積，每克混雜纖維達396平方米，用于電荷的運輸和儲存。而這些材料被緊緊地包含在毛細管柱里，以便可將其抽取出來，形成高體積能量密度。這種使用多個毛細管柱的過程，可使制造出的纖維連續(xù)不斷，并保持一貫的品質(zhì)。
日前有報道稱，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種連續(xù)生產(chǎn)這種彈性纖維的方式，使其能夠擴大生產(chǎn)以滿足各種應用。到目前為止，已經(jīng)制作出50米長的纖維，具有靈活性，每立方厘米具有300法拉的高容量。
在測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)三對串聯(lián)排列的纖維具有三倍的電壓，同時可保持相同的充電/放電時間。與相同電流密度操作的單纖維相比，三對平行的纖維是在輸出電流和充電/放電時間方面具有三倍的效力。當把它們在兩個電極之間集成多個成對的纖維，其存儲電能的能力即電容，可根據(jù)所使用纖維的數(shù)量呈線性增加。
使用聚乙烯醇/磷酸凝膠作為電解質(zhì)，固態(tài)微型超級電容器由一對光纖制造可提供每立方毫米6.3微瓦小時的體積密度，可與4伏特500微安小時的薄膜鋰電池媲美。纖維超級電容器表現(xiàn)出超高能量密度值，同時保持了高功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性。
研究人員說：“我們測試了這種光纖設備上萬次的充電/放電周期，其保留了原有的性能約93%，而傳統(tǒng)的充電電池壽命小于千次周期?！?/p>
該小組還測試了這個設備的柔性能量存儲，對其不斷進行恒定的機械應力，最后對其性能的評價是：纖維超級電容器可持續(xù)無性能損失地工作，甚至在彎曲數(shù)百次之后，它們?nèi)阅鼙３朱`活性，并在結構上長度保持一致。
目前，研究人員正在降低成本以大批量生產(chǎn)這種纖維，旨在促使這種高性能的微型超級電容器商業(yè)化。
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